探傷加速器可調準直器的設計

崔愛軍，朱志斌，劉保杰，楊 譽，韓廣文

(中國原子能科學研究院 核技術應用研究所，北京 102413)

隨著無損檢測技術的發展，以加速器作為射線源進行無損檢測領域備受關注，包括工業探傷、工業CT、大型集裝箱/貨物檢查系統等。在進行X射線攝像時，需附加準直器以改善X射線的劑量分布，實現高能X射線源輻射場二維界定。雜散的X射線不僅破壞影像對比度和清晰度，同時對人體將產生潛在輻射損傷。準直器對無用射線的屏蔽效果，直接關系到射線對目標靶區的照射效果和周邊環境的影響[1]，因此，人們對X射線照射野適形度的要求越來越高。

對于不同的無損檢測系統，準直器將X射線束準直成不同形狀，現有技術中采用較多的方式是固定式準直[2]，以錐準直和縫準直為代表，探傷準直器前端開口一般采用圓錐形，而工業CT準直器準直口一般采用梯形狹縫。這兩種固定式準直器根據實際需要定制加工，并固定安裝在X射線源正前方，通過調節加速器與工件之間距離來調節X射線照射野，以滿足目標照射野的需求，其適應性弱。為提高X射線成像質量，適應更多照射野的需求，可調準直器是X射線準直的主要發展方向，開展可調準直器的研制有著重要價值。本文基于6 MeV探傷加速器照射野可調準直器的設計指標，對可調準直器開展相關設計和理論計算，并對不同照射野的X射線劑量分布進行仿真計算和統計分析，完成交錯式照射野可調準直器的設計。

1 照射野可調準直器設計指標

照射野可調準直器采用自動控制系統和機械系統實現照射野的自動調節、轉換和修正，滿足透射及點片的各種需要，使實際照射野趨于有效照射野，實現照射野的合理定量控制[3-5]。基于6 MeV探傷加速器而設計的照射野可調準直器的主要功能要求為：1) 根據目標照射野需求可自動調節照射野大小及位置，實現照射野與目標靶區的匹配；2) 照射野可調準直器的遠程終端控制，實現照射野的在線調節。可調準直器安裝在6 MeV探傷加速器機箱內部，其總體結構示意圖如圖1所示。

照射野可調準直器的設計參數為：在距鎢靶1 m遠處的最大照射野不小于200 mm×200 mm；距射線源中心1 m的球面上最大漏射率小于0.1%；準直塊的位移速度為0～5 mm/s可調；可調準直器設計的最大厚度不大于160 mm。

2 可調準直器設計計算

為減小可調準直器設計厚度，準直器采用交錯排布的設計結構，實現準直塊在同一平面運動，從而使可調準直器的總體厚度減小。

圖1 可調準直器總體結構示意圖Fig.1 Schematic of overall structure for adjustable collimator

2.1 可調準直器設計

圖2 準直單元結構示意圖Fig.2 Schematic of collimation unit structure

交錯的排布結構必然會使相鄰兩準直塊的運動發生干涉，為解決這種耦合運動關系，可調準直器的每個準直單元均設計有2個運動自由度，通過控制系統的協同驅動，實現準直器開口的在線調節。可調準直器的準直單元結構示意圖如圖2所示，準直單元前端準直塊在伺服電機的驅動下，通過滾珠絲杠傳動實現準直塊縱向移動，導向座安裝在轉接板上，轉接板與直線導軌滑塊固定連接，通過直線導軌上的伺服電機驅動滑塊橫向移動，從而帶動準直塊橫向移動。單個準直塊的側邊設計有凹槽，端面設計有凸臺，在交錯排布時，接口處形成錯位臺階，從而減小準直器的漏射劑量，防止X射線沿縫漏射雜散。準直塊交錯布置組合形狀示意圖如圖3所示，通過驅動各準直塊的運動，可實現對準直器中心開口形狀和大小的調節。

圖3 準直塊交錯布置組合形狀示意圖Fig.3 Combined shape schematic of collimation block staggered layout

控制系統分為自動控制和手動控制，其控制系統流程圖如圖4所示。系統啟動時為初始狀態，準直器開口為最大狀態，當目標照射野尺寸設置完成后，由下位機驅動各伺服電機完成照射野的調節，并在主控界面上實時顯示當前位置，當調節完成后，需對準直塊位置鎖死，防止其滑動而影響目標照射野，在系統啟動后，可任意設定目標照射野，實時對其進行調節。

圖4 控制系統流程圖Fig.4 Flow schematic of control system

2.2 準直塊設計計算

準直塊采用高密度材料加工制造，常用的準直材料為鎢合金材料[6]。X射線通過鎢合金時以近似指數的形式衰減，隨著鎢合金厚度的增加，當量劑量指數H1逐漸下降。鎢合金屏蔽厚度計算的實質，就是計算X射線的透射系數BX，即通過一定厚度的鎢合金，使鎢合金外某參考面的當量劑量率下降到劑量限值HM以下[7]，BX計算公式為：

(1)

式中：HM為最大可允許的當量劑量率，μSv/h[8-10]；DI0為在輻射源距標準參考點1 m處的吸收劑量率指數，Gy·m2/h；d為X源與標準參考點間的距離，m；T為區域的居留因子，其具體取值參考表1[11]。

表1 區域居留因子取值Table 1 Value of regional residence factor

依據發射率曲線(圖5)查得6 MeV電子直線加速器[11]的平均束流為1 mA的X射線發射率常數約為100 Gy·m2/(mA·min)，由劑量率轉換公式可得單位kW電子束發射率為1 000 Gy·m2/(kW·h)。

圖5 發射率曲線Fig.5 Curve about radiation emission

對6 MeV電子直線加速器，可計算得到X射線0°方向DI0=1 000×6=6 000 Gy·m2/h。當輻射強度削弱到5%時，HM=300 Gy·m2/h。

將以上計算得到的參數代入式(1)可得透射系數為：

BX=(HMd2)/(DI0T)=0.05

(2)

利用1/10值層厚度及值層層數[11-12]，計算屏蔽厚度S(cm)為：

S=D1+(n-1)De

n=lg(1/BX)

(3)

式中：D1為面向輻射源的第1個10倍削弱厚度，純鎢1/10值層厚度為3.4 cm[11]；De為第1個10倍削弱后的10倍削弱厚度，純鎢De=3 cm；n為1/10屏蔽厚度的值層層數。計算得到，6 MeV電子直線加速器輻射強度削弱到5%所需純鎢厚度S=43 mm。

3 可調照射野的仿真分析

利用蒙特卡羅法[12-13]仿真計算6 MeV電子束轟擊鎢靶產生的X射線經鎢鎳鐵準直塊后射線削弱的情況，表2列出產生X射線的仿真計算參數。

表2 仿真計算參數Table 2 Parameter of simulation calculation

圖6 準直塊厚度計算仿真模型Fig. 6 Simulation model for collimation block thickness calculation

準直塊厚度計算仿真模型如圖6所示。圖6a為X射線經過前級準直器后無屏蔽塊對射線進行屏蔽的仿真模型，并在距X射線源1 m處檢測到劑量率[14-15]為719 cGy/min；圖6b為X射線經過前級準直器后采用厚度為43 mm的鎢鎳鐵對射線進行屏蔽的仿真模型，檢測到距X射線源1 m處劑量率為1.01 cGy/min。經前級準直器后的X射線在加屏蔽塊和不加屏蔽塊時在1 m處檢測的劑量率比值為0.001 4，小于0.05，因此，屏蔽塊厚度選擇43 mm滿足設計要求。

利用FLUCK仿真軟件對準直器不同開口下的照射野進行仿真計算，檢測了距鎢靶1 m處照射野大小，得到照射野仿真計算結果如圖7所示。可看出，照射野大小和形狀隨可調準直器開口的調節可實現照射野的調節，并對無用X射線進行屏蔽。單個準直塊行程為30 mm時，可實現最大照射野為600 mm×600 mm的調節，滿足設計指標的要求。

為進一步分析X射線照射野隨準直器開口調節的變化情況，對照射野內沉積能量進行統計分析，其沉積能量分布如圖8所示。分別統計了準直器開口為60 mm×60 mm、60 mm×5 mm、20 mm×20 mm、40 mm×10 mm時，照射野在x=0時沿y軸方向的沉積能量分布和y=0時沿x軸方向的沉積能量分布，一維統計結果如圖9所示。可看出，照射野能量分布隨準直器開口的調節而改變，通過調節準直器開口可明顯調節照射野形狀和大小。

圖7 照射野仿真計算結果Fig.7 Simulation result of irradiation field

圖8 沉積能量分布Fig.8 Deposition energy distribution

圖9 一維沉積能量分布Fig.9 Distribution of one-dimensional deposition energy

4 結論

基于探傷加速器設計了照射野可調準直器，準直器由4個具有2自由度的準直塊首尾交錯排布而成，為保證準直塊的運動均在一個平面上，改善了與探傷加速器前級準直器的接口形式，減小射線的漏劑量，降低設備射線防護成本，同時可實現照射野尺寸和位置的調節，適用范圍更靈活。交錯式照射野可調準直器可實現自動化控制，實現加速器X高能射線照射野在線調節，且可依據需求改變照射野的形狀，安裝有照射野可調準直器的加速器可實現探傷和CT兩種工業應用。